FreeSCADA 2：基于.NET的开源 SCADA 系统
项目简介
FreeSCADA 2 是一款基于微软技术栈的开源 SCADA（监控与数据采集）系统，采用 .NET/C#/WPF/XAML 等技术构建。它支持使用纯 XAML 语法定义矢量图形，并可将 XAML 属性直接绑定到标签值，实现动态数据的可视化展示。此外，还内置了 OPC、ModBus 和 SNMP 等多种通信协议的驱动程序，在工业自动化领域具有广泛应用潜力。
克隆项目
打开命令行工具，执行以下命令以克隆FreeSCADA项目到本地：
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git clone https://github.com/AlexDovgan/FreeSCADA.git |
项目架构
- 整体架构 ：FreeSCADA 2 的架构主要由 Designer 和 Run Time 两个核心模块以及其他辅助模块和插件等组成。
- Designer ：是用于创建和配置项目的开发工具，提供了可视化界面，允许用户定义与数据源的链接、设置归档规则、声明报警及其预期用户反应、创建可视化方案和报告模板、设置报告生成计划等功能。例如，用户可以在 Designer 中通过简单的拖拽操作和配置，建立起与 PLC 等设备的连接，并设计出相应的监控画面和数据展示布局。
- Run Time ：负责项目的实际运行和监控，实现数据的实时采集、处理、存储、归档，以及报警生成、数据可视化、报告生成等功能。它能够将 Designer 中配置好的项目部署到实际运行环境中，并按照设定的规则进行数据采集和处理，同时以图形化的方式将数据展示给用户。例如，在工业生产过程中，Run Time 可以实时采集生产数据，并在界面上动态显示生产状态和相关参数，当出现异常情况时及时发出报警。
- 数据流架构 ：数据采集模块从各种设备和数据源中获取数据，然后通过数据处理模块进行清洗、转换和计算等操作，再将处理后的数据存储到数据库中。数据存储模块为数据查询和分析模块提供支持，以便用户能够快速检索和分析历史数据。同时，系统还会根据配置的规则生成相应的报警信息，并通过报警管理模块通知用户。在数据展示方面，系统利用 WPF 和 XAML 的强大功能，将实时数据和历史数据以图表、趋势图、仪表盘等多种形式直观地展示给用户。
- 通信架构 ：FreeSCADA 2 内置了多种通信协议的驱动程序，如 OPC、ModBus 和 SNMP 等，通过这些协议，系统能够与各种工业设备和系统进行通信，实现数据的采集和交互。此外，它还提供了通信插件机制，允许用户根据实际需求扩展和定制通信协议，以满足不同设备和场景的通信要求。
主要代码分析
核心模块代码
Designer 模块
位于项目的 Designer 目录下，其核心代码主要包括 MainForm.cs 等文件。MainForm.cs 是 Designer 的主窗口代码，实现了界面的初始化、菜单和工具栏事件处理、项目加载和保存等功能。例如，在项目加载过程中，它会读取项目的配置文件，解析项目的结构和各个组件的配置信息，并在界面上进行相应的显示和初始化。
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// 定义一个静态的WindowManager实例，用于管理窗口 static WindowManager windowManager; // 定义一个私有成员变量，用于存储启动画面 private SplashScreen _splashScreen; /// <summary> /// 构造器 /// </summary> public MainForm() { // 初始化组件，包括窗体和控件的创建 InitializeComponent(); // 设置自动缩放模式为DPI，以适应不同分辨率的屏幕 AutoScaleMode = AutoScaleMode.Dpi; // 设置启动画面 SetSplashScreen(); // 初始化环境，传入当前窗体、主菜单、主工具栏和环境模式 Env.Initialize(this, mainMenu, mainToolbar, FreeSCADA.Interfaces.EnvironmentMode.Designer); // 初始化归档系统 ArchiverMain.Initialize(); // 初始化文件操作的命令上下文 CommandManager.fileContext = new BaseCommandContext(fileToolStripMenuItem.DropDown, mainToolbar); // 初始化视图操作的命令上下文 CommandManager.viewContext = new BaseCommandContext(viewSubMenu.DropDown, mainToolbar); // 初始化文档编辑的命令上下文 CommandManager.documentContext = new BaseCommandContext(editSubMenu.DropDown, mainToolbar); // 添加帮助按钮到主菜单 ToolStripMenuItem newItem = new ToolStripMenuItem(StringResources.CommandContextHelp); mainMenu.Items.Add(newItem); // 初始化帮助操作的命令上下文 CommandManager.helpContext = new BaseCommandContext(newItem.DropDown, null); // 添加检查更新的命令到帮助上下文 CommandManager.helpContext.AddCommand(new CheckForUpdatesCommand()); // 添加最近使用的文件列表到菜单栏 MRUManager mruManager = new MRUManager(mRU1ToolStripMenuItem, toolStripSeparator2); // 创建并初始化窗口管理器，传入停靠面板和最近使用的文件管理器 windowManager = new WindowManager(dockPanel, mruManager); // 注册项目加载完成的事件处理程序 Env.Current.Project.ProjectLoaded += new EventHandler(OnProjectLoaded); // 更新窗体标题和命令状态 UpdateCaptionAndCommands(); } |
RunTime 模块
主要代码集中在 Runtime 目录中，MainForm.cs 是其核心文件之一，负责 RunTime 的启动、初始化和运行时管理。它会加载项目的配置，启动数据采集和处理线程，初始化通信协议驱动等，并在运行过程中实时监控系统的状态和数据变化，确保系统的稳定运行。
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// 定义一个WindowManager类型的变量windowManager，用于管理窗口 WindowManager windowManager; // MainForm的构造函数，用于初始化窗体 public MainForm() { // 调用InitializeComponent方法，初始化窗体组件 InitializeComponent(); // 初始化Env环境，传入当前窗体、主菜单、主工具栏和运行模式 Env.Initialize(this, mainMenu, mainToolbar, FreeSCADA.Interfaces.EnvironmentMode.Runtime); // 初始化ArchiverMain，可能是用于数据归档或日志记录 ArchiverMain.Initialize(); // 设置CommandManager的viewContext，传入视图子菜单的DropDown和主工具栏 CommandManager.viewContext = new BaseCommandContext(viewSubMenu.DropDown, mainToolbar); // 创建一个MRUManager对象，用于管理最近使用的文件，传入最近使用文件菜单项和分隔符 MRUManager mruManager = new MRUManager(mRUstartToolStripMenuItem, toolStripSeparator3); // 创建一个WindowManager对象，传入停靠面板和MRUManager，用于管理窗口 windowManager = new WindowManager(dockPanel, mruManager); // 更新窗体的标题 UpdateCaption(); } // MainForm的另一个构造函数，用于初始化窗体并加载指定的文件 public MainForm(string fileToLoad) { // 调用InitializeComponent方法，初始化窗体组件 InitializeComponent(); // 初始化Env环境，传入当前窗体、主菜单、主工具栏和运行模式 Env.Initialize(this, mainMenu, mainToolbar, FreeSCADA.Interfaces.EnvironmentMode.Runtime); // 初始化ArchiverMain，可能是用于数据归档或日志记录 ArchiverMain.Initialize(); // 设置CommandManager的viewContext，传入视图子菜单的DropDown和主工具栏 CommandManager.viewContext = new BaseCommandContext(viewSubMenu.DropDown, mainToolbar); // 创建一个MRUManager对象，用于管理最近使用的文件，传入最近使用文件菜单项和分隔符 MRUManager mruManager = new MRUManager(mRUstartToolStripMenuItem, toolStripSeparator3); // 创建一个WindowManager对象，传入停靠面板和MRUManager，用于管理窗口 windowManager = new WindowManager(dockPanel, mruManager); // 如果传入的文件路径不为空，则加载该文件 if (fileToLoad != "") windowManager.LoadProject(fileToLoad); // 更新窗体的标题 UpdateCaption(); } |
Common模块
Common 模块是 FreeSCADA 2 的核心基础模块，它为整个系统提供了通用的接口、数据模型、工具类和配置管理等功能，是其他模块（如 Designer、Run Time 等）正常运行所依赖的基石。它就像是一个公共工具箱，里面包含了各种各样的工具和资源，供系统的不同部分在需要时调用和使用。
主要功能与代码细节
- 接口定义
- 数据接口 ：Common 模块定义了一系列与数据相关的接口，比如
IDataSource接口。这个接口规定了数据源的基本操作规范，包括数据的读取、写入、连接和断开等方法。例如，Read方法用于从数据源读取数据，Write方法用于向数据源写入数据。这些接口使得不同类型的设备和协议驱动（如 OPC、ModBus 等）能够以统一的方式进行数据交互。当开发者需要添加一个新的数据源驱动时，只需实现IDataSource接口，就可以确保它能够与系统的其他部分无缝集成。 - 通信接口 ：
ICommunicationDriver是通信相关的接口，它规定了通信驱动的基本行为，例如建立通信连接、发送和接收数据等。这使得系统能够轻松地扩展对不同通信协议的支持。例如，如果要添加一个新的无线通信协议驱动，开发者可以基于ICommunicationDriver接口进行实现，而无需修改系统的其他核心逻辑。
- 数据接口 ：Common 模块定义了一系列与数据相关的接口，比如
- 数据模型
- 标签数据模型（Tag） ：在 Common 模块中，标签（Tag）是数据的基本单位。
Tag类定义了标签的属性，如名称、数据类型、描述、当前值、质量（表示数据的可靠性，如好、坏、可疑等）、时间戳等。例如，一个温度传感器的标签可能有名称为 “TemperatureSensor1”，数据类型为浮点数，当前值为 25.5℃，质量为 “Good”，时间戳为当前系统时间。这些标签数据模型为系统中的数据采集、存储、处理和可视化提供了统一的数据结构。
- 标签数据模型（Tag） ：在 Common 模块中，标签（Tag）是数据的基本单位。
- 工具类
- 日志工具类（Logger） ：日志记录对于系统的调试、监控和维护至关重要。
Logger类提供了方便的日志记录功能，包括记录不同级别的日志（如信息、警告、错误等）。例如，当系统成功连接到一个设备时，可以记录一条信息级别的日志；当数据采集出现异常时，记录一条错误级别的日志。这有助于开发者快速定位问题所在，了解系统的运行状态。
- 日志工具类（Logger） ：日志记录对于系统的调试、监控和维护至关重要。
- 配置管理
- 环境类(Env)，它实现了
IEnvironment接口。这个类主要用于管理和初始化FreeSCADA环境，包括版本信息、命令、主窗口、项目、环境模式、日志记录、脚本管理以及通信和可视化插件等。Env类使用了单例模式，确保在整个应用程序中只有一个Env实例。
- 环境类(Env)，它实现了
在系统中的作用与与其他模块的交互
- 在系统中的作用 ：Common 模块是整个 FreeSCADA 2 系统的 “粘合剂”。它为其他模块提供了统一的接口规范、数据模型和工具，确保了系统的各个部分能够以协调一致的方式工作。没有 Common 模块，其他模块之间就难以进行有效的通信和数据共享。
- 与其他模块的交互 ：Designer 模块在创建和配置项目时，会频繁地调用 Common 模块中的接口和工具类。例如，在定义标签时，会使用
Tag类来设置标签的属性；在配置通信协议时，会参考ICommunicationDriver接口的规范。Run Time 模块在运行项目时，会根据ProjectConfig类中的配置信息来初始化数据源和通信连接，并利用DataProcessorUtils类对采集到的数据进行处理。同时，Run Time 模块也会通过Logger类记录运行过程中的各种事件和状态信息。
数据采集
在 Communication 目录下，包含了各种通信协议驱动的实现代码。比如在 FreeSCADA 2 的 Communication.OPCPlug 模块中，ICommunicationDriver 接口发挥着关键作用，它定义了通信驱动的基本规范，使得 OPCPlug 模块能够与系统其他部分高效协同，实现数据的精准传递。
IChannel Interface
定义了通道（Channel）的基本功能和属性，如名称（Name）、插件标识（PluginId）、值（Value）、是否只读（IsReadOnly）、状态标志（StatusFlags）等。
提供了事件，如PropertyChanged和ValueChanged，用于通知其他部分通道属性或值的变化。
是一个契约，规定了通道类需要实现的成员。
BaseChannel Abstract Class
实现了IChannel接口，提供了通道的基本功能和公共实现。
包含了通道的核心属性和方法，如获取通道名称、类型、值，以及更新值和状态的方法。
提供了抽象方法DoUpdate()和虚方法DoUpdate(object value)、DoUpdate(object value, DateTime externalTime, ChannelStatusFlags status)，供子类根据具体通信协议实现数据更新逻辑。
具备线程安全机制，使用lock关键字确保在多线程环境下数据的一致性和完整性。
是一个抽象基类，不能直接实例化，需要由子类继承并实现抽象方法。
OPCBaseChannel Class
继承自BaseChannel抽象类，是针对OPC（OLE for Process Control）协议通信的具体实现。
包含了与OPC服务器通信相关的属性，如OPC通道名称（OpcChannel）、OPC服务器名称（OpcServer）、OPC主机（OpcHost）、连接组（opcConnection）和OPC句柄（opcHandle）。
重写了Value属性的set访问器，在设置新值时，会通过OPC连接将值写入OPC服务器，并调用基类的DoUpdate方法更新本地值。
提供了Connect和Disconnect方法，用于与OPC服务器建立和断开连接。
重写了DoUpdate方法，目前为空，需要根据具体OPC通信逻辑进行实现。
数据流向
数据从OPC服务器流向OPCBaseChannel:
OPCBaseChannel通过Connect方法与OPC服务器建立连接，并获取到OPC句柄opcHandle。
当需要从OPC服务器读取数据时，OPCBaseChannel通过其内部的OPC连接（opcConnection）从OPC服务器读取数据。
读取到的数据会更新到OPCBaseChannel的Value属性中。
更新Value属性会触发基类的FireValueChanged方法，进而引发PropertyChanged和ValueChanged事件，通知其他订阅者数据已更新。
数据从OPCBaseChannel流向OPC服务器:
当OPCBaseChannel的Value属性被设置时，如果通道不是只读的，并且与OPC服务器的连接已建立，它会通过opcConnection.WriteChannel(opcHandle, value)将新值写入OPC服务器。
同时，它会调用基类的DoUpdate方法更新本地值和状态。
数据在OPCBaseChannel内部流动:
通道的状态（StatusFlags）可以通过StatusFlags属性设置，这会更新modifyTime并触发FireValueChanged方法，进而引发相关事件。
通道的重置操作（Reset方法）会将值恢复为默认值，并更新状态和时间。
数据从OPCBaseChannel流向其他部分:
通过PropertyChanged事件，当通道的Value、ModifyTime、Status或StatusFlags属性发生变化时，会通知其他订阅者（如用户界面或数据处理模块），使它们能够获取到最新的数据。
通过ValueChanged事件，当通道的值发生变化时，会通知其他订阅者，使它们能够对值的变化做出响应。
总结
这三个类的关系和数据流向如下：
IChannel定义了通道的契约，BaseChannel实现了这个契约并提供了通用功能，OPCBaseChannel继承自BaseChannel并实现了针对OPC协议的具体功能。
数据从OPC服务器流向OPCBaseChannel，更新其值和状态；OPCBaseChannel内部处理数据的更新和状态变化，并通过事件将数据变化通知给其他部分。
这种设计通过接口和抽象类实现了代码的复用和扩展性，使得可以方便地添加对其他通信协议的支持，只需继承BaseChannel并实现相应的通信逻辑即可。
自定义控件
VisualControls.FS2EasyControls 模块是 FreeSCADA 2 系统中用于提供可视化控件的核心组件库，旨在为用户提供更丰富、便捷的图形化界面元素，用于直观地展示和操作工业自动化过程中的各类数据。这些控件涵盖了从基本的数据显示（如数值、文本）、状态指示（如指示灯、报警器），到复杂的交互式图表（如趋势图、棒图）等多种类型，是实现系统人机交互界面（HMI）的关键。
IVisualControlsPlug 接口在 FS2EasyControls 中的实现
接口方法实现
数据源绑定
BindDataSource 方法：这是实现控件与数据源关联的核心方法。它接收数据源标识符（如标签名称）和数据绑定规则（如数据类型转换、数据更新频率等）作为参数。FS2EasyControls 模块中的每个可视化控件都通过这个方法与 FreeSCADA 2 系统中的特定数据（如从 OPC 服务器、ModBus 设备等采集的数据）建立联系。
例如，对于一个用于显示温度的数字显示屏控件，通过 BindDataSource 方法将其与表示温度传感器数据的标签 “Temperature.Sensor1” 绑定。在绑定过程中，可以指定数据类型为浮点数，更新频率为每秒一次等规则。这样，控件就能够实时获取该温度数据的变化，并在界面上进行相应更新。
数据更新与刷新
UpdateData 方法：用于将最新的数据从数据源拉取到控件，并触发控件的刷新操作。当系统中的数据（如通过 Communication 模块从设备采集到的新数据）发生变化时，FS2EasyControls 模块会调用控件的 UpdateData 方法。该方法内部会根据控件的类型和绑定规则，对数据进行适当的处理（如数值修约、单位转换等），然后更新控件的显示内容。
比如，在一个模拟压力表控件中，当 UpdateData 方法被调用并接收到新的压力值数据时，它会根据压力值计算指针的旋转角度，重新绘制压力表的图形界面，使指针指向对应的压力刻度位置，从而直观地反映当前压力的变化情况。
用户交互响应
OnUserInteraction 方法：用于处理用户与控件之间的交互操作，如点击按钮、调整滑块、输入文本等。当用户对可视化控件进行操作时，FS2EasyControls 模块会捕捉到这些操作事件，并通过 OnUserInteraction 方法进行相应处理。
例如，在一个用于控制电机启停的按钮控件中，当用户点击启动按钮时，OnUserInteraction 方法会识别这个点击事件，然后根据预先定义的控制逻辑（如向 PLC 发送电机启动命令），通过 FreeSCADA 2 系统的通信模块将控制指令发送到相应的设备。同时，它还可以更新按钮本身的显示状态（如改变按钮颜色为绿色表示电机已启动）。
数据封装与传递
数据封装
在 FS2EasyControls 模块中，数据从数据源传递到控件时，会按照 FreeSCADA 2 系统统一的数据模型（如 Common 模块中的 Tag 类）进行封装。控件接收到的数据包含数据值、质量（如好、坏、可疑等）、时间戳等关键信息。例如，从 OPC 服务器获取的流量数据 “FlowMeter1” 会封装为一个 Tag 对象，其 Value 属性为当前流量值（如 120m³/h），Quality 属性为数据质量（假设为 “Good”），TimeStamp 属性为数据更新时间。
数据传递流程
当系统中的数据源（如通过 OPCPlug 模块连接的 OPC 服务器）有数据更新时，数据首先会按照 ICommunicationDriver 的规范传递到 FreeSCADA 2 的数据处理层。然后，数据处理层根据可视化界面的配置（如哪个控件绑定了该数据源），调用 FS2EasyControls 模块中相应控件的 UpdateData 方法。控件接收到数据后，根据自身类型和绑定规则进行处理，并更新显示内容。同时，控件在处理数据过程中，也可以将一些状态信息（如数据是否在正常范围内、是否触发报警等）反馈给系统，以便系统进行进一步的处理（如生成报警信息推送等）。
